大學(xué)物理實驗中的創(chuàng)新設(shè)計方法及應(yīng)用研究

張俊玲

(中國人民武裝警察部隊學(xué)院,河北廊坊 065000)

大學(xué)物理實驗中的創(chuàng)新設(shè)計方法及應(yīng)用研究

張俊玲

(中國人民武裝警察部隊學(xué)院,河北廊坊 065000)

大學(xué)物理實驗運用原理應(yīng)用設(shè)計法、聯(lián)想類比設(shè)計法、改進(jìn)設(shè)計法、變異設(shè)計法、組合設(shè)計法等創(chuàng)新設(shè)計方法。掌握這些方法可以提升大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來的工作打下良好基礎(chǔ)。

大學(xué)物理實驗;創(chuàng)新設(shè)計;創(chuàng)新能力

大學(xué)物理實驗是對大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)教育,強化工程意識和創(chuàng)新意識,進(jìn)行工程基本訓(xùn)練,提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力的重要階段。通過大學(xué)物理實驗,可以培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想,掌握現(xiàn)代設(shè)計方法,提升運用所學(xué)基本知識和基本理論分析、解決實際問題的能力,提高創(chuàng)造能力,增強創(chuàng)新設(shè)計水平?？傊?大學(xué)物理實驗是對工程類學(xué)生綜合運用能力的全面、系統(tǒng)的訓(xùn)練。

1 創(chuàng)新設(shè)計主要方法

目前,對創(chuàng)新較為一致的看法是:創(chuàng)新是新設(shè)想(新概念)發(fā)展到實際和成功應(yīng)用的階段[1]。

通過分析大學(xué)物理實驗的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱資料可知,現(xiàn)開設(shè)的大學(xué)物理實驗項目的設(shè)計主要從原理創(chuàng)新,方法創(chuàng)新、儀器創(chuàng)新等方面入手,其設(shè)計方法可以歸納為:原理應(yīng)用設(shè)計法、聯(lián)想類比設(shè)計法、改進(jìn)設(shè)計法、變異設(shè)計法、組合設(shè)計法等。

1.1 原理應(yīng)用設(shè)計法

原理應(yīng)用設(shè)計法的主要內(nèi)容是在理解所做實驗項目的實驗原理的基礎(chǔ)上,分析其原理使用的條件、實驗的設(shè)計思想等特點,提出新穎的、與實踐相結(jié)合的設(shè)計方案。此法可以用于拓展實驗和科技小制作。

要成功地進(jìn)行原理應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計,必須具備三種能力:一是“綜合應(yīng)用能力”,即善于綜合應(yīng)用實驗原理中涉及的理論知識和實驗的設(shè)計思想,通過巧妙整合,形成新的成果;二是“思維統(tǒng)攝能力”,即在分析原理使用條件的基礎(chǔ)上,與相關(guān)實驗理論相結(jié)合,形成新的概念;三是“辨證分析能力”,它是一種綜合性思維能力,即把大量的實驗現(xiàn)象、實驗方法和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、分析,加以概括整理,形成科學(xué)的思想和方法。

1.2 聯(lián)想類比設(shè)計法

聯(lián)想類比設(shè)計法是由一個實驗的實驗原理、實驗方法、實驗儀器等,聯(lián)想到另一個實驗的實驗原理、實驗方法、實驗儀器,或者由一個實驗項目聯(lián)想到另外一個類似的實驗項目,由此可以產(chǎn)生新的設(shè)想。拓展實驗大多采用這種方法。

聯(lián)想類比設(shè)計法具有以下特點:(1)推理性。就是“由此及彼”的思維能力,它通常表現(xiàn)為三種形式:一是“縱向推理”,即發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象后,立即縱深一步,探究其產(chǎn)生的原因;二是“逆向推理”,即看一到種現(xiàn)象后,立即想到它的反面;三是“橫向推理”,即發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象,便聯(lián)想到特點與之相似、相關(guān)的事物。例如,用電位差計測電動勢實驗,根據(jù)電流一定時,電壓與電阻成正比,可以聯(lián)想到用電位差計測電阻。(2)相似性。即發(fā)現(xiàn)幾種實驗方法、實驗思想、實驗原理服從的規(guī)律具有相似性,便想到它們之間的聯(lián)系,設(shè)計出新的實驗方案。

1.3 改進(jìn)設(shè)計法

為消除原有方案的缺點或者為滿足新的工作要求,在原有設(shè)計方案基礎(chǔ)上,從儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、性能等方面進(jìn)行一定改進(jìn),設(shè)計新設(shè)備以適應(yīng)實驗的需求,提高實驗的效果。改進(jìn)設(shè)計相對難度較小,只是在原有設(shè)計方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新,稍微進(jìn)行改進(jìn)、提高,同時避免和原設(shè)計雷同即可。改進(jìn)設(shè)計相對比較容易產(chǎn)生出新方案。

改進(jìn)設(shè)計法主要分為兩類:一是儀器設(shè)備的改進(jìn),二是實驗方法的改進(jìn),包括實驗條件和實驗環(huán)境。

1.4 組合設(shè)計法

組合設(shè)計法就是將現(xiàn)有技術(shù)、原理、方法、儀器等按一定的科學(xué)規(guī)律和實驗方法有效的組合在一起,使之產(chǎn)生新的實驗效果。組合設(shè)計法是實驗中創(chuàng)新設(shè)計的重要方法之一。在實驗中,對一個或多個原有設(shè)計方案進(jìn)行分析,總結(jié)出各個設(shè)計的新穎性和設(shè)計思路,然后對這些設(shè)計特點進(jìn)行組合,充分利用各儀器的工作原理和性能,得到互補的新型方案。如果有多個新的設(shè)計方案,需要對這些方案進(jìn)行評價和篩選,最終確定最佳設(shè)計方案。

進(jìn)行組合時,一般從以下幾個方面入手:(1)把不同的實驗方法組合在一起而產(chǎn)生新的實驗方案。如比較法和補償法組合在一起,可以組成電位差計測量電動勢。(2)把幾種不同的實驗原理的儀器組合在一起研制新的儀器。如游標(biāo)卡尺和螺旋測微計的原理組合,可以制成精度更高的測量儀器。(3)現(xiàn)有技術(shù)與高新科技的組合,產(chǎn)生新的實驗方案或提高實驗的效果。如現(xiàn)有技術(shù)與傳感技術(shù)、計算機技術(shù)組合,提高測量的精度或?qū)嶒灛F(xiàn)象的直觀性。

1.5 變異設(shè)計法

針對現(xiàn)有儀器設(shè)備的設(shè)計,進(jìn)行深入分析研究,探索掌握其關(guān)鍵技術(shù),在消化、吸收的基礎(chǔ)上,對其作用原理、機構(gòu)等進(jìn)行變異,開發(fā)出新型實驗方案和儀器設(shè)備。如在基本型儀器的基礎(chǔ)上,開發(fā)出不同作用原理或不同儀器的變型系列產(chǎn)品就是變異設(shè)計的結(jié)果。學(xué)生科技小制作大多采用此法。

進(jìn)行變異設(shè)計時,要采取多元思考的方法,將直線式思維方式,改換成“視覺思維”、“空間思維”,即不是從實驗的原理和方法入手,而是從實驗要達(dá)到的結(jié)果入手。

2 應(yīng)用實例

通過大學(xué)物理實驗教學(xué),利用創(chuàng)新設(shè)計方法,實驗任課教師和學(xué)生以取得了一定的成績,現(xiàn)舉例說明。

2.1 科技小制作

利用原理應(yīng)用設(shè)計法、聯(lián)想類比設(shè)計法、變異設(shè)計法、組合設(shè)計法等創(chuàng)新設(shè)計方法,將多種儀器的工作原理進(jìn)行組合、變異,通過聯(lián)想類比設(shè)計出新的儀器。

(1)機械高精度長度測量儀的開發(fā)

《長度的測量》大學(xué)物理實驗教學(xué)中最基礎(chǔ)的實驗項目,該實驗中用到游標(biāo)卡尺、螺旋測微計。游標(biāo)卡尺是利用增加一個游標(biāo)(帶有均勻分度的刻度尺)來提高儀器的測量精度,見圖1。螺旋測微計是利用套筒(套筒分為若干等分)每旋轉(zhuǎn)一周,測微螺桿移動一個螺距的原理來提高儀器的測量精度,見圖2。

圖1 游標(biāo)卡尺示意圖

圖2 螺旋測微計示意圖

圖3 機械高精度長度測量儀

“機械高精度長度測量儀的開發(fā)”科技小制作研究小組(武警學(xué)院2004級本科生),利用原理應(yīng)用設(shè)計法和組合設(shè)計法,將游標(biāo)卡尺和游標(biāo)卡尺的原理進(jìn)行整合、重組設(shè)計出新產(chǎn)品。在螺旋測微計的套筒上增加一個游標(biāo),提高測量精度,研制出更精密的測量儀器。見圖3。

(2)滅火報警器的研制

《熱敏電阻特性研究》實驗中,負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC(NegativeTemperaturecoefficient Thermistor)是被研究的熱敏電阻之一,它的特征曲線是隨著溫度的升高而電阻值減小。利用這一特性,與學(xué)生所學(xué)專業(yè)聯(lián)系起來,做過該實驗項目的學(xué)生以科技小制作的形式研制出“滅火報警器”(武警學(xué)院2006級本科生),其原理是:當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,現(xiàn)場溫度較高,NTC的阻值減小,流過它的電流增大,與它串聯(lián)的報警器開始工作發(fā)出響聲來報警,同時開啟消防裝置開始工作,噴射灑水來滅火。這里用到組合設(shè)計法和變異設(shè)計法這兩種創(chuàng)新設(shè)計方法。

(3)簡易稱重儀的制作

圖4 壓力與電壓之間的關(guān)系圖

圖5 簡易稱重儀的示意圖

通過《傳感器特性研究》實驗可以得出結(jié)論:在壓力傳感器上所加重量與輸出電壓成正比關(guān)系,見圖4。根據(jù)這一特性,利用變異設(shè)計法,將電壓表改裝成簡易稱重儀,見圖5。根據(jù)壓力傳感器的靈敏度,將圖5中電壓表的電壓刻度改刻為重量值[2]。

2.2 拓展實驗

利用聯(lián)想類比設(shè)計法、變異設(shè)計法、組合設(shè)計法構(gòu)想出新的實驗項目、新的實驗方法等。

(1)《用模擬法測繪靜電場》的拓展實驗《測繪機翼附近氣流的流線和等流勢線》

該實驗用相似的電流場來模擬靜電場,從而根據(jù)電流場得到對應(yīng)的靜電場的具體分布[3]。

(2)空氣比熱容比的測定

聲音在空氣中的傳播速度與空氣比熱容比有關(guān),學(xué)生(中國礦業(yè)大學(xué)物理系2001級本科生)提出通過測量空氣中的聲速,得到測定空氣比熱容比的另一實驗方案。

從聲速測量實驗中可以知道,空氣比熱容比的大小直接影響到聲速的大小,聲速與空氣比熱容比的關(guān)系式為v=,該式中γ是空氣比熱容比,由此可以推想用測聲速的方法測定空氣比熱容比[4];另外,根據(jù)傳感器相應(yīng)資料,可以設(shè)計一臺聲速溫度計[3]。

2.3 改進(jìn)實驗

利用改進(jìn)設(shè)計法和組合設(shè)計法對大學(xué)物理實驗教學(xué)中傳統(tǒng)的實驗儀器、實驗方法進(jìn)行了改進(jìn),以提高教學(xué)質(zhì)量。

(1)十一線電位差計測電動勢實驗的改進(jìn)

慣用的實驗方法導(dǎo)致在處理實驗數(shù)據(jù)時,出現(xiàn)不合理性,而且對實驗儀器的精密度要高,因此根據(jù)慣用的實驗方法存在的不足,提出對慣用實驗方法的改進(jìn)措施[5]。

(2)超聲波聲速測量實驗的改進(jìn)

超聲波聲速測量實驗,由于目前通常所用的實驗裝置比較簡單,實驗現(xiàn)象不能充分展示實驗原理,為了解決這一難題,引進(jìn)計算機技術(shù),將目前的實驗設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)與計算機連接起來,設(shè)計出一套智能聲速測量實驗裝置。

(3)落球法液體粘滯系數(shù)測定儀的改進(jìn)

傳統(tǒng)的儀器有諸多弊端,提出改進(jìn)意見,保證了金屬球沿容器中心下落,計時準(zhǔn)確性也明顯提高,從而使測量誤差大大降低[6]。

3 結(jié) 論

在大學(xué)物理實驗中,設(shè)計工作就是為了解決與實驗有關(guān)的科技小制作、新實驗方案設(shè)計、實驗方法、實驗儀器改進(jìn)等環(huán)節(jié)中的技術(shù)難點,進(jìn)行創(chuàng)新的重要實踐。同學(xué)們可以開闊思路,大膽運用創(chuàng)新設(shè)計方法,有意識地去解決設(shè)計中所遇到的問題,創(chuàng)造出新的產(chǎn)品或設(shè)計出新的方案等。通過設(shè)計過程的各個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練,能夠掌握創(chuàng)新設(shè)計方法,提升學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來的工作打下良好的基礎(chǔ)。

[1]劉曉宏.創(chuàng)新設(shè)計方法及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2]張俊玲.簡易稱重儀的制作[J].物理通報,2002(8):42-45.

[3]李學(xué)慧.大學(xué)物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2005:229-287.

[4]張武儒,崔亦飛.一種測量空氣比熱容比的實驗方法[J].大學(xué)物理,2005(7):60-62.

[5]張俊玲.11線電位差計測電動勢實驗的改進(jìn)[J].物理通報,2000(2):35-36.

[6]代偉,楊曉暉.落球法液體粘滯系數(shù)測定儀的改進(jìn)[J].大學(xué)物理實驗,2006(4):36-38.

Study of the Creative Design Method and Some AppliedCases in College Physics Experiment

ZHANG Jun-ling

(Armed Police Force Academy,Hebei,Lang fang,065000)

Incollege physics experiment , universityst udents canuse the creative design techniquemet hods such as the Principle of application creation ,the analog and legend creation ,the improve creation ,the variatio ncreation ,the portfolio creation ,etc. Masteringt hesemet hods can promotet heir creativedesign ability ,and make a good foundation fort heir after time works.

college physicsexperiment;innovation design;creative ability

G642.423

A

1007-2934(2011)04-0093-04

2010-12-13